一起10 kV刀閘三相接地短路故障分析

錢夢迪，趙雪騫，周 愷，秦 歡，門業(yè)堃，侯宇程

（國網(wǎng)北京電科院，北京 100075）

1 故障基本情況

2017年8月13日8：40，110 kV某變電站1#變低后備復(fù)壓過流保護(hù)動作閉鎖245自投跳開201開關(guān)10 kV 4#母線及所帶3路負(fù)荷全停，影響高戶145戶居民7288戶，經(jīng)查201-4刀閘發(fā)生故障。

2 故障變電站及故障設(shè)備基本情況

2.1 110 kV某變電站基本情況

系統(tǒng)接線如圖1所示：主變2臺；110 kV接線方式為內(nèi)橋接線設(shè)計(jì)進(jìn)線有2回；35 kV接線方式為單母線分段代旁路接線設(shè)計(jì)，出線有6回；10 kV接線方式為單母線分段接線設(shè)計(jì)，出線有14路。

2.2 10 kV 4#母線及201-4柜基本情況

10 kV接線方式為單母線分段接線，10 kV 4#母線共帶10 kV饋線6路。其中，2條線路在故障當(dāng)天無負(fù)荷（備用），其他4條線路負(fù)荷正常。10 kV 4#母線為封閉式矩形結(jié)構(gòu)，母線防污等級為D級，母線材料為銅，額定電流3150 A。201-4開關(guān)柜為固定式開關(guān)柜，額定電流3150 A。發(fā)生故障的201-4刀閘于2006年投入運(yùn)行[1-2]。

2.3 故障發(fā)生時(shí)的天氣及系統(tǒng)運(yùn)行情況

故障發(fā)生時(shí)該變電站所處地區(qū)為多云轉(zhuǎn)陰天氣，悶熱，空氣相對濕度為50%，無落雷現(xiàn)象。故障發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行方式及負(fù)荷情況如下。

110 kV：111受電在4#母線，經(jīng)101原4代1#主變，112受電在5#母線，母聯(lián)145拉著，掉111，投145，自投運(yùn)行2#主變備用。

35 kV：301代4#母線負(fù)荷，經(jīng)345代5#母線負(fù)荷，母聯(lián)345自投停用。

圖1 110 kV某變電站系統(tǒng)接線示意（局部）

10 kV：201代4#母線負(fù)荷，經(jīng)245代5#母線負(fù)荷，母聯(lián)245自投停用。

10 kV4#母線共帶10 kV饋線6路：總計(jì)負(fù)荷502 A。

3 故障現(xiàn)場檢查與處理情況

故障發(fā)生后，相關(guān)技術(shù)人員隨即到達(dá)故障現(xiàn)場檢查。

（1）201-4刀閘放電通道。201-4刀閘放電通道為A，B，C三相靜觸頭固定銅排的螺絲分別對支柱絕緣子所連接的金屬支架放電，母排本體無明顯放電痕跡。201-4刀閘水平安裝的支柱三相絕緣子上側(cè)均燒損嚴(yán)重，表面瓷裙幾乎燒平，刀閘銅排固定螺絲端部基本燒融。

（2）故障處理情況。故障設(shè)備201-4刀閘供電公司內(nèi)部無備件。為盡快恢復(fù)設(shè)備供電，直接用銅母排取代201-4刀閘，并更換母線倉與隔離開關(guān)室穿柜套管對母排加裝熱縮護(hù)套。根據(jù)電科院技術(shù)人員建議，在母排連接處用專用絕緣膠帶進(jìn)行絕緣化處理，確保母排整體絕緣水平，同時(shí)將母排接頭的4只螺絲反穿，以減小局部電場畸變程度。安裝完成后，對母線進(jìn)行工頻交流耐壓試驗(yàn)，試驗(yàn)電壓為38 kV/min通過[3-4]。

技術(shù)人員對1#變進(jìn)行了采油色譜分析、繞組變形試驗(yàn)以及直阻試驗(yàn)等相關(guān)試驗(yàn)工作。經(jīng)分析，試驗(yàn)結(jié)果正常，1#主變可投入運(yùn)行。8月13日21頤15，1#主變投入運(yùn)行。8月14日 2頤00，10 kV4#母線故障處理完畢，10頤30，全站設(shè)備及負(fù)荷恢復(fù)正常運(yùn)行方式。

4 故障原因分析

4.1 故障錄波數(shù)據(jù)分析

4.1.1 本起故障錄波數(shù)據(jù)分析

故障時(shí)間起始于 8頤23頤29，終止于 8頤23頤33，總共持續(xù)時(shí)間3.5 s。其中，C相單項(xiàng)接地1.5 s相間短路故障時(shí)間2 s。經(jīng)現(xiàn)場核實(shí)，故障錄波的“35 kV 4#母線電壓”與“10 kV 4#母線電壓”通道錯誤，互換后應(yīng)為正確狀態(tài)同時(shí)“35 kV 201電流”應(yīng)為“10 kV 201電流”。該問題已整改完畢。

故障過程主要分為3個(gè)階段：

（1）第一階段：10 kV的 C相單相接地時(shí)間持續(xù)1.5 s。期間，C相出現(xiàn)接地故障電壓出現(xiàn)間歇性峰值最高峰值為1.3 kV。A，B兩相電壓波形呈三角波，電壓幅值11.4 kV，表明PT在工頻過電壓作用下出現(xiàn)了磁飽和現(xiàn)象。從C相電壓波形判斷，此時(shí)C相接地為間歇性弧光接地周期為10 ms，容易產(chǎn)生弧光接地過電壓。一般情況下，弧光接地過電壓水平為正常運(yùn)行電壓峰值的2～3.5倍，即（16.33～28.57）kV（圖 2）。

圖2 C相單相接地期間電壓局部波形

（2）第二階段：10 kV的B，C兩相相間短路持續(xù)時(shí)間12 ms。在此期間，B，C兩相相間短路電壓約為0.4 kV，A相電壓為線電壓10 kV。B，C兩相電流波形相位相反幅值為14 kA（圖3）。

（3）第三階段：10 kV的A，B，C三相接地短路持續(xù)時(shí)間2 s。期間A，B，C三相接地短路電壓幅值均為0.5 kV，短路電流為13 kA（圖 4）。

圖3 B，C兩相相間短路故障錄波（局部）

圖4 A，B，C三相相間短路電流故障錄波

4.1.2 近期單相接地故障錄波數(shù)據(jù)分析調(diào)取8月1～18日110 kV某變電站10 kV 4#母線故障錄波，可知該母線多次發(fā)生單相接地故障，接地持續(xù)時(shí)間在幾百毫秒至幾十分鐘不等。圖5的波形表明接地點(diǎn)出現(xiàn)了間歇性弧光接地。

4.2 10 kV 4#母線單相接地信號分析

上面的故障錄波數(shù)據(jù)顯示，2017年8月 4日、5日、6日、7日、11日、13日曾出現(xiàn)多次單相接地故障。為進(jìn)一步核實(shí)10 kV單相接地情況，因?yàn)樵撜緝?nèi)監(jiān)控主機(jī)癱瘓，從調(diào)控中心調(diào)取了8月1日至13日的監(jiān)控信息未發(fā)現(xiàn)“接地”信號，但存在“10 kV 4#母線電壓不合格”信號，因此無法從站內(nèi)監(jiān)控主機(jī)、遠(yuǎn)方監(jiān)控系統(tǒng)直接獲得“10 kV 4#母線單相接地”信號[5]。

4.3 10 kV 4#母線容性電流及消弧線圈補(bǔ)償情況

圖5 B相接地故障接地相波形（局部放大）

10 kV 4#母線消弧線圈額定補(bǔ)償容量300 kV·A。經(jīng)電容電流測試，電容電流值11.36 A，此消弧線圈目前處于未投運(yùn)狀態(tài)該站10 kV系統(tǒng)為中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)運(yùn)行。根據(jù)10 kV，35 kV系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式選用技術(shù)原則規(guī)定，對于10 kV系統(tǒng)當(dāng)電容電流大于20 A時(shí)中性點(diǎn)需裝設(shè)消弧線圈[6]。

4.4 201-4刀閘絕緣距離與絕緣結(jié)構(gòu)分析

從圖6可以看出，245開關(guān)柜內(nèi)刀閘靜觸頭固定銅排的螺絲采用絕緣盒罩住，而發(fā)生故障的201-4刀閘固定銅排無絕緣盒保護(hù)、螺絲裸露。經(jīng)實(shí)測，螺絲至刀閘金屬支架的距離為95 mm，不滿足12 kV高壓開關(guān)柜中10 kV電氣距離125 mm要求。刀閘、母排相間絕緣距離125 mm符合要求[7-8]。據(jù)運(yùn)行單位反映此處絕緣罩在某次檢修過程中拆除但具體時(shí)間不明。

4.5 故障原因分析

圖6 245開關(guān)柜和201開關(guān)柜比較

該站10 kV 201-4刀閘母排接頭處的絕緣罩拆除，相對地空氣絕緣距離為95 mm（不滿足逸125 mm的標(biāo)準(zhǔn)要求），且連接緊固母排的4個(gè)螺桿突出母排高度約20 mm，形成4個(gè)尖端局部電場產(chǎn)生畸變使擊穿電壓耐受水平降低。同時(shí)，柜內(nèi)長期未清掃，絕緣子沿面存在污穢。故障當(dāng)日，天氣悶熱，相對濕度50%，而故障前的間歇性弧光接地過電壓對該絕緣薄弱點(diǎn)形成沖擊。在上述因素的綜合作用下，引發(fā)了此次故障。

5 結(jié)論與建議

5.1 此次故障的主要原因

（1）刀閘母排接頭處的絕緣罩拆除，同時(shí)連接緊固母排的4個(gè)螺桿形成4個(gè)尖端局部電場產(chǎn)生畸變，形成絕緣薄弱點(diǎn)。

（2）間歇性單相接地故障產(chǎn)生了弧光，接地過電壓在絕緣薄弱點(diǎn)處造成了絕緣擊穿故障。

另外，此次故障還反映出以下問題：淤開關(guān)柜檢修后未及時(shí)恢復(fù)絕緣護(hù)罩；于站內(nèi)監(jiān)控主機(jī)癱瘓，遠(yuǎn)方監(jiān)控系統(tǒng)無法直接獲得“10 kV 4#母線單相接地”信號；盂站內(nèi)1#故障錄波裝置通道設(shè)置錯誤；榆柜內(nèi)長期未清掃絕緣子沿面存在污穢。

5.2 建議

（1）建議供電公司對35 kV，10 kV柜內(nèi)絕緣薄弱點(diǎn)進(jìn)行排查處理。主要排查點(diǎn)包括：淤絕緣罩、絕緣盒、絕緣檔板缺失；于復(fù)合絕緣包纏工藝不良；盂柜內(nèi)絕緣部件表面積污情況；榆絕緣距離不滿足要求。

（2）建議供電公司對本站內(nèi)癱瘓的監(jiān)控裝置主機(jī)及時(shí)安排修復(fù)對監(jiān)控系統(tǒng)中的“10 kV單相接地”信號進(jìn)行核實(shí)、整改。

（3）建議加強(qiáng)設(shè)備檢修處缺后的驗(yàn)收、試驗(yàn)工作。